高靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍船用導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)數(shù)中頻放大器設(shè)計(jì)

蔡　瀟,陳敬軍

(海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，上海200233)

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高靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍船用導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)數(shù)中頻放大器設(shè)計(jì)

蔡瀟,陳敬軍

(海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，上海200233)

摘要：對(duì)數(shù)中頻放大器是船用導(dǎo)航雷達(dá)接收系統(tǒng)的核心組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系導(dǎo)航雷達(dá)接收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)能力。本文介紹了一款全新設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)中頻放大器，其靈敏度高達(dá)-96 dBm，輸入1 dB壓縮點(diǎn)為-8 dBm，噪聲系數(shù)為1.2 dB，同時(shí)針對(duì)不同的發(fā)射脈寬，具有3種巴特沃茲帶通濾波器選擇功能。

關(guān)鍵詞：對(duì)數(shù)中頻放大器；大動(dòng)態(tài)范圍；巴特沃茲帶通濾波器；船用導(dǎo)航雷達(dá)接收系統(tǒng)

0引言

船用導(dǎo)航雷達(dá)主要用于海上目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤，輔助船舶導(dǎo)航避碰，保障航行安全。隨著船舶航行環(huán)境的日益復(fù)雜，導(dǎo)航雷達(dá)的性能，特別是在海雜波條件下對(duì)周?chē)繕?biāo)的發(fā)現(xiàn)能力，直接關(guān)系到船舶航行安全與船上人員的生命安危。如何增強(qiáng)海雜波下小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力，一直是當(dāng)今船用導(dǎo)航雷達(dá)技術(shù)研究的重點(diǎn),也促使各個(gè)廠家不斷使用新技術(shù)來(lái)提高雷達(dá)性能[1]。所謂海雜波是海浪表面對(duì)雷達(dá)發(fā)射射頻脈沖信號(hào)的后向散射[2]，其在近量程海域嚴(yán)重地制約了導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)艦船、浮標(biāo)和其他海面目標(biāo)的探測(cè)能力。為了在強(qiáng)海雜波條件下進(jìn)一步提高小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力，導(dǎo)航雷達(dá)接收系統(tǒng)的性能也必須提高。對(duì)數(shù)中頻放大器是導(dǎo)航雷達(dá)接收系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響了雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度和接收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍[3]。

文獻(xiàn)[4]介紹了一款基于SBM064中頻對(duì)數(shù)放大器的中頻接收機(jī)，其性能優(yōu)良，但其工作中心頻率為30 MHz，工作帶寬只有幾百千兆赫，完全不能滿足導(dǎo)航雷達(dá)中頻60 MHz、帶寬20 MHz信號(hào)需求。文獻(xiàn)[5]采用兩級(jí)AD8350線性放大器和一級(jí)AD8309對(duì)數(shù)放大器組成的中頻對(duì)數(shù)放大器，其動(dòng)態(tài)范圍雖然達(dá)到98 dB，但其噪聲系數(shù)為5 dB，靈敏度也只有-90 dBm，對(duì)雷達(dá)小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力較弱，而且中頻對(duì)數(shù)放大器僅具有一種帶寬，無(wú)法針對(duì)多種發(fā)射脈寬選擇不同的中頻帶寬，從而不適合應(yīng)用于導(dǎo)航雷達(dá)接收系統(tǒng)。

本文介紹了一款大動(dòng)態(tài)范圍高靈敏度的對(duì)數(shù)中頻放大器，其靈敏度可達(dá)-96 dBm，輸入-1 dB壓縮點(diǎn)為-8 dBm，整個(gè)中頻放大器的動(dòng)態(tài)范圍為88 dB，雖然動(dòng)態(tài)和文獻(xiàn)[5]相比有所減小，但該動(dòng)態(tài)范圍完全滿足船用導(dǎo)航雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用，和文獻(xiàn)[5]相比，靈敏度提高了6 dB。這極大地提高了雷達(dá)接收系統(tǒng)對(duì)小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。除此之外，為提高不同量程下導(dǎo)航雷達(dá)的目標(biāo)分辨率，目前流行的導(dǎo)航雷達(dá)通常采用多種發(fā)射脈寬，針對(duì)不同發(fā)射脈寬，設(shè)計(jì)了5 MHz，10 MHz和20 MHz 3種不同帶寬的帶通濾波器,其中10 MHz和20 MHz濾波器分別設(shè)計(jì)成為3階和4階巴特沃茲帶通濾波器[6]。這有效地減小了不同脈寬下的噪聲電平，提高了接收機(jī)的靈敏度，增強(qiáng)了雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。

1對(duì)數(shù)中頻放大器結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)

圖1為對(duì)數(shù)中頻放大器的系統(tǒng)框圖。整個(gè)對(duì)數(shù)中頻放大器主要由低噪聲中頻放大電路、三路不同帶寬帶通濾波器、對(duì)數(shù)放大檢波電路和推挽驅(qū)動(dòng)電路組成。

圖1　對(duì)數(shù)中頻放大器的系統(tǒng)框圖

圖2　對(duì)數(shù)中頻放大器原理圖

圖2為對(duì)數(shù)中頻放大器板原理圖。如圖所示，60 MHz中頻回波信號(hào)首先進(jìn)入低噪聲中頻放大電路。低噪聲中頻放大電路基于由低噪聲三極管Q1和Q2構(gòu)成沃爾漫電路。Q1、Q2選擇由英飛凌公司的BFR183寬帶低噪聲三極管,其最小噪聲系數(shù)為1.2 dB。使用沃爾漫電路可以有效減少低噪聲中頻放大器輸入端的密勒效應(yīng)，提高低噪聲中頻放大器的帶寬。C1為隔直電容，用于去除中頻回波信號(hào)中的直流分量。根據(jù)Q1的芯片手冊(cè)，適當(dāng)選擇外圍R2、R3電阻數(shù)值，使得流過(guò)Q1、Q2的電流約為10 mA，這時(shí)使噪聲系數(shù)最小，為1.2 dB。中頻回波信號(hào)通過(guò)低噪聲放大電路低噪聲放大后通過(guò)隔直電容C4，進(jìn)入帶通選擇電路。

帶通選擇電路由3路帶通濾波器組成，由下而上分別為5、10和20 MHz。其中由于5 MHz濾波器帶寬較窄，中心頻率精度要求較高(60±0.1 MHz)，為了方便調(diào)節(jié)，采用π型高通濾波器和雙中周(T1、T2)調(diào)諧電路的形式實(shí)現(xiàn)。由L5、C8和L6組成的π型高通濾波器的截止頻率為30 MHz，通過(guò)調(diào)節(jié)由T1和T2組成的調(diào)諧電路上調(diào)節(jié)旋鈕，可以方便實(shí)現(xiàn)中心頻率60 MHz、帶寬5 MHz的帶通濾波器。中間通路為3階Butterworth帶通濾波器，采用插入損耗法進(jìn)行設(shè)計(jì)，帶寬為10 MHz。Butterworth帶通濾波器相比于Chebyshev濾波器具有更高的帶間平坦度[6]。上部通路為4階Butterworth帶通濾波器，具有更好的帶寬選擇特性，帶寬為20 MHz。三路不同濾波器之間的切換通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)二極管U1、U3和U2、U4實(shí)現(xiàn)。帶寬選擇信號(hào)1和帶寬選擇信號(hào)2都為直流電壓信號(hào)，分別通過(guò)L2、L12和L1、L13連接到U1、U3和U2、U4。當(dāng)帶寬選擇信號(hào)1為低電平(-5 V)時(shí)，U1中右側(cè)二極管導(dǎo)通，U2中左側(cè)二極管導(dǎo)通，使得中頻信號(hào)通過(guò)下端通路(5 MHz帶通濾波器通路)進(jìn)入對(duì)數(shù)放大檢波電路。當(dāng)帶寬選擇信號(hào)1為高電平(5 V)、帶寬選擇信號(hào)2為高電平(5 V)時(shí)，中頻信號(hào)通過(guò)中路10MHz帶通濾波器。

由于帶通選擇電路主要由感性、容性器件組成，在帶通選擇電路和對(duì)數(shù)放大電路之間加入由Q3實(shí)現(xiàn)的射極跟隨器作為隔離(Q3也為BFR183)，利用其輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，可以有效提高電路間阻抗匹配。中頻信號(hào)通過(guò)C33隔直電容后進(jìn)入對(duì)數(shù)放大檢波電路。對(duì)數(shù)放大檢波電路使用AD公司的AD8310芯片。AD8310是一個(gè)高速電壓輸出、解調(diào)范圍為DC至400 MHz的對(duì)數(shù)放大檢波芯片，其內(nèi)部含有6個(gè)串聯(lián)放大器，每個(gè)放大器的小信號(hào)增益為14.3 dB，其內(nèi)部使用9個(gè)檢波器，檢波范圍從-91 dBV至4 dBV。在100 MHz時(shí)其對(duì)數(shù)線性度的典型值在±0.4dB以?xún)?nèi)。為了發(fā)揮AD8310的最佳性能，參考其芯片手冊(cè)，在AD8310輸入端加入由R8、L14、C24組成的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)AD8310對(duì)數(shù)放大檢波后的雷達(dá)視頻回波信號(hào)進(jìn)入推挽驅(qū)動(dòng)電路。

推挽驅(qū)動(dòng)電路由共基極放大Q4和推挽放大器Q5、Q6組成。+V經(jīng)R9、R10分壓后給Q4基極提供基極偏置電壓。C25起到濾波的作用，使得Q4基極電壓更加穩(wěn)定。R13和R11的比值決定了共基極放大器的放大倍數(shù)?；鶚O放大器有效克服了Q4的密勒效應(yīng)，提高了放大器的帶寬。由Q5、Q6組成的推挽放大器采用正負(fù)電源+V、-V供電。在不處理雷達(dá)視頻信號(hào)時(shí)，處于平衡狀態(tài)，Q5和Q6中無(wú)電流流過(guò)，最小化了推挽電路的功耗。U6用于電壓補(bǔ)償Q5和Q6門(mén)限導(dǎo)通電平，克服推挽電路的開(kāi)關(guān)失真。推挽輸出加強(qiáng)了電路的驅(qū)動(dòng)能力。雷達(dá)視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)推挽驅(qū)動(dòng)電路后，再由C28隔直后，通過(guò)同軸線纜輸送到雷達(dá)終端進(jìn)行顯示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為三路帶通濾波器的測(cè)試結(jié)果，其中圖3(a)為5 MHz帶通濾波器，其帶寬窄，主要針對(duì)雷達(dá)長(zhǎng)脈沖的中頻回波信號(hào)進(jìn)行濾波。圖3(b)和圖3(c)分別為10 MHz 3階和20 MHz 4階巴特沃斯帶通濾波器，分別對(duì)中脈沖和短脈沖中頻回波信號(hào)進(jìn)行濾波。

由于整個(gè)放大器板的動(dòng)態(tài)范圍的上限主要取決于輸入端低噪聲放大電路的-1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率。圖4為60 MHz低噪聲放大電路輸出功率隨輸入功率的變化結(jié)果。由圖4所知，在輸入功率為-8 dBm時(shí)，低噪聲放大電路輸出功率和理想線性輸出功率值之間相差1 dB，即低噪聲放大電路的輸入-1 dB壓縮點(diǎn)功率為-8 dBm。

中頻放大器板的噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)的低噪聲放大器決定[6]。噪聲系數(shù)的確定需要對(duì)低噪聲放大電路進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)量，但由于低噪聲放大器電路為對(duì)數(shù)中頻放大器板的組成部分，無(wú)法分割，所以采用安捷倫公司的ADS(Advanced Design Systems)軟件仿真得到的低噪聲放大器噪聲系數(shù)。安捷倫公司的ADS是世界領(lǐng)先的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，其仿真結(jié)果精確，廣泛應(yīng)用于射頻模擬電路設(shè)計(jì)中。由圖可知，60 MHz中頻時(shí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果約為1.3 dB，整個(gè)對(duì)數(shù)中頻對(duì)數(shù)放大器的靈敏度為-96 dBm，動(dòng)態(tài)范圍為88 dB。

圖3　5、10和20 MHz帶通濾波器測(cè)試結(jié)果

圖4　60 MHz時(shí)低噪聲放大電路輸出功率隨輸入功率的變化

圖5　低噪聲放大電路噪聲系數(shù)ADS仿真結(jié)果

3結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)全新的高靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍船用導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)數(shù)中頻放大器的詳細(xì)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，其靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，具有3種帶寬選擇，特別適合船用導(dǎo)航雷達(dá)接收系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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Design of a logarithmic intermediate frequency amplifier of marine navigation radar with high sensitivity and large dynamic range

CAI Xiao, CHEN Jing-jun

(Military Representative Office of Electronic Equipment of the PLA Navy in Shanghai, Shanghai 200233)

Abstract:The logarithmic intermediate frequency (IF) amplifier, the performance of which greatly affects the dynamic range and small target detection capability of the receiver system of the marine navigation radar, is a key component of the radar receiver system. A new logarithmic IF amplifier is designed with the sensitivity up to -96 dBm, the input 1 dB compression point of -8 dBm, and the NF of 1.2 dB. At the same time, the logarithmic IF amplifier has three different Butterworth band-pass filters designed for various transmitting pulse widths.

Keywords:logarithmic IF amplifier; large dynamic range; Butterworth band-pass filter; marine navigation radar receiver system

中圖分類(lèi)號(hào)：TN72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-0401(2016)01-0056-04

作者簡(jiǎn)介:蔡瀟(1990-)，男，助理工程師，研究方向，雷達(dá)工程；陳敬軍(1971-)，高級(jí)工程師，博士，研究方向：信號(hào)處理與反魚(yú)雷技術(shù)。

收稿日期：2016-01-12